JP2017186183A - 二酸化炭素ガスの回収装置、及び、二酸化炭素ガスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分に少ない用役使用量で、排ガスから不純物が低減された二酸化炭素ガスを回収することが可能な二酸化炭素ガスの回収装置を提供すること。【解決手段】回収装置１００は、水蒸気を生成するボイラ部１０と、ボイラ部１０の排ガスを精製する精製部１５０とを備える。精製部１５０は、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔２０と、吸収液を加熱部で加熱して吸収液を再生し二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生塔３０と、処理ガスを還元触媒に接触させて処理ガスに含まれる不純物を低減し、処理ガスよりも不純物の濃度が低減された二酸化炭素ガスを得る不純物除去塔４０とを備える。さらに、ボイラ部１０に供給される水を排ガスで予熱する第１熱交換器Ａと、ボイラ部１０に供給される燃焼用の空気を二酸化炭素ガスで予熱する第２熱交換器Ｂとを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、二酸化炭素ガスの回収装置、及び、二酸化炭素ガスの製造方法に関する。

ボイラから排出される排ガスから回収された熱を、二酸化炭素の化学吸収設備で有効利用する技術が知られている。化学吸収法では、吸収塔においてアミン水溶液と混合ガスとを接触させて、アミン水溶液中に二酸化炭素を吸収させる。この二酸化炭素を吸収したアミン水溶液を、再生塔で加熱して二酸化炭素を放出させて、二酸化炭素とアミン水溶液とを分離する。このようにして、再生されたアミン水溶液は循環使用される。

特許文献１では、ボイラの排ガスから回収された熱を熱回収器で回収し、回収した熱を再生塔からリボイラに送られる吸収液に与える熱交換手段を設けて、排ガスの熱を有効利用する技術が開示されている。

特開２０１１−２２４４７２号公報

ボイラから排出される排ガスには、二酸化炭素の他に、燃料ガスの性状に応じて二酸化炭素以外の種々の微量成分（不純物）が含まれている。不純物の例として、酸素、及び酸化物等が挙げられる。このような不純物を低減する二酸化炭素の回収装置では、吸収塔及び再生塔以外にも、不純物を低減するための精製手段を設ける必要がある。

本発明は、一つの側面において、十分に少ない用役使用量で、排ガスから不純物が低減された二酸化炭素ガスを回収することが可能な二酸化炭素ガスの回収装置を提供することを目的とする。本発明は、別の側面において、十分に少ない用役使用量で、不純物が低減された二酸化炭素ガスを製造することが可能な二酸化炭素ガスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、一つの側面において、燃料を燃焼して水蒸気を生成するボイラ部と、ボイラ部の排ガスを精製する精製部と、を備える、二酸化炭素の回収装置であって、精製部は、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、吸収液を加熱部で加熱して吸収液を再生し二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生塔と、処理ガスに含まれる不純物を低減し、処理ガスよりも不純物の濃度が低減された二酸化炭素ガスを得る不純物除去塔と、を備え、ボイラ部に供給される水を排ガスで予熱する第１熱交換器と、ボイラ部に供給される燃焼用の空気を二酸化炭素ガスで予熱する第２熱交換器と、を備える二酸化炭素ガスの回収装置を提供する。

上記二酸化炭素ガスの回収装置では、ボイラ部に供給される水を排ガスで予熱する第１熱交換器と、ボイラ部に供給される燃焼用の空気を二酸化炭素ガスで予熱する第２熱交換器とを備える。このようにボイラ部に供給される水及び空気の両方が予熱されることから、ボイラ部における燃料の消費量を低減することができる。また、再生塔で得られる処理ガスを精製して処理ガスに含まれる不純物を低減する不純物除去塔を備える。したがって、十分に少ない用役使用量で、排ガスから不純物が低減された二酸化炭素ガスを回収することができる。

上記二酸化炭素ガスの回収装置は、再生塔において、吸収液を加熱部で加熱する前に排ガスで予熱する第３熱交換器を備えていてもよい。この場合、排ガスの流通方向でみたときに、第３熱交換器は第１熱交換器よりも上流側に設けられる。このような第３熱交換器を備えることによって、再生塔の加熱部で消費される熱量を低減することができる。これによって、一層少ない用役使用量で、排ガスから不純物が低減された二酸化炭素ガスを回収することができる。

上記二酸化炭素ガスの回収装置は、ボイラ部に供給される水を、再生塔からの処理ガスで予熱する第４熱交換器を備えていてもよい。この場合、水の流通方向でみたときに、第４熱交換器は第１熱交換器よりも上流側に設けられる。これによって、ボイラ部に供給される水が一層高い温度に予熱され、その結果、ボイラ部における燃料の消費量を一層低減することができる。

本発明は、別の側面において、ボイラ部において燃料を燃焼して水蒸気を生成する燃焼工程と、燃焼工程で発生する排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液で吸収する吸収工程と、吸収工程からの吸収液を加熱部で加熱して吸収液を再生し、二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生工程と、処理ガスに含まれる不純物を低減し、処理ガスよりも不純物の濃度が低減された二酸化炭素ガスを得る不純物除去工程と、を有し、燃焼工程においてボイラ部に供給される水を排ガスで予熱し、ボイラ部に供給される燃焼用の空気を二酸化炭素ガスで予熱する、二酸化炭素ガスの製造方法を提供する。

上記二酸化炭素ガスの製造方法では、ボイラ部に供給される水及び空気を、排ガス及び二酸化炭素ガスでそれぞれ予熱する。ボイラ部に供給される水及び空気の両方が予熱されることから、ボイラ部における燃料の消費量を低減することができる。また、再生塔で得られる処理ガスを還元触媒に接触させて処理ガスに含まれる不純物を低減している。したがって、十分に少ない用役使用量で、排ガスから不純物が低減された二酸化炭素ガスを製造することができる。

上記二酸化炭素ガスの製造方法では、吸収工程における吸収液を加熱部で加熱する前に排ガスで予熱してもよい。これによって、再生工程において加熱部で消費される熱量を低減することができる。これによって、一層少ない用役使用量で、排ガスから不純物が低減された二酸化炭素ガスを製造することができる。

上記燃焼工程においてボイラ部に供給される水は、排ガスで予熱される前に再生工程で得られる処理ガスで予熱されてもよい。これによって、ボイラ部に供給される水が一層高い温度に予熱され、その結果、ボイラ部における燃料の消費量を一層低減することができる。

本発明は、一つの側面において、十分に少ない用役使用量で、排ガスから不純物が低減された二酸化炭素ガスを回収することが可能な二酸化炭素ガスの回収装置を提供することができる。本発明は、別の側面において、十分に少ない用役使用量で、不純物が低減された二酸化炭素ガスを製造することが可能な二酸化炭素ガスの製造方法を提供することができる。

一実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を模式的に示す図である。 別の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置を模式的に示す図である。 比較例の二酸化炭素の回収装置を模式的に示す図である。

以下、場合により図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、場合により重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態の二酸化炭素の回収装置１００を模式的に示す図である。回収装置１００は、燃料を空気で燃焼するボイラ部１０と、ボイラ部１０の排ガスを精製する精製部１５０とを備える。精製部１５０は、排ガスから二酸化炭素とは異なる成分である不純物を低減して二酸化炭素の純度を高くする部分である。精製部１５０は、吸収塔２０、再生塔３０、不純物除去塔４０、これらの機器を互いに接続する流路、及び任意の付帯機器を有する。各実施形態における流路は、例えば配管で構成されていてもよく、配管に加えて槽及びタンク等で構成されていてもよい。回収装置１００及び回収装置１００を用いた二酸化炭素の製造方法を以下に説明する。

燃料は流路１１を流通してボイラ部１０に供給される。燃料の例としては、転炉ガス（ＬＤＧ）、高炉ガス、及び天然ガス等が挙げられる。ボイラ部１０に供給された燃料は、ボイラ部１０に別途供給される空気によって燃焼する。

水（純水）は流路１２ａを流通して第４熱交換器Ｄに導入され予熱される。第４熱交換器Ｄでは、１０〜２０℃程度の水が、再生塔３０からの処理ガスとの熱交換によって例えば４０〜８０℃に予熱される。第４熱交換器Ｄで予熱された水は、流路１２ｂを流通して第１熱交換器Ａに導入され更に予熱される。第１熱交換器Ａでは、例えば４０〜８０℃の水が、ボイラ部１０からの排ガスとの熱交換によって例えば９０〜１２０℃に予熱される。予熱された水の一部は水蒸気になっていてもよい。第１熱交換器Ａで予熱された水は、流路１２ｃを流通してボイラ部１０に供給される。

燃料を燃焼する燃焼用の空気は、流路１８ａを流通して第２熱交換器Ｂに導入され予熱される。第２熱交換器Ｂでは、０〜３０℃程度の空気が、不純物除去塔４０からの二酸化炭素ガスとの熱交換によって例えば６０〜１００℃に予熱される。第２熱交換器Ｂで予熱された空気は、流路１８ｂを流通してボイラ部１０に供給される。

ボイラ部１０では、燃料を予熱された空気で燃焼して得られる燃焼熱によって、予熱された水をさらに加熱し水蒸気を生成する（燃焼工程）。生成した水蒸気は、流路１６を流通して他の設備に供給される。水蒸気の一部は、流路１６から分岐する流路１６ａを流通して加熱部３１に供給され、熱源として使用される。なお、加熱部３１の熱源としてボイラ部１０で生成した水蒸気を用いることは必須ではなく、他のボイラ等で得られた水蒸気を用いてもよいし、別途加熱された熱媒油を用いてもよい。

ボイラ部１０で燃料を燃焼して生じる排ガスは、主成分として窒素及び二酸化炭素を含み、その他の成分として二酸化炭素以外の成分を含む。排ガスにおける二酸化炭素の濃度は、例えば１０〜４０体積％である。その他の成分の例としては、酸素、一酸化炭素、炭化水素、硫黄酸化物、及び窒素酸化物等が挙げられる。このような排ガスは、流路１４ａを流通して第３熱交換器Ｃに導入され、冷却される。第３熱交換器Ｃでは、例えば２２０〜３００℃の排ガスが吸収液との熱交換によって例えば１００〜１５０℃に冷却される。

第３熱交換器Ｃで冷却された排ガスは、流路１４ｂを流通してブロア１５に導入される。ブロア１５では、例えば１１０〜１４０ｋＰａに昇圧される。ブロア１５で昇圧された排ガスは、流路１４ｃを流通して第１熱交換器Ａに導入され、冷却される。第１熱交換器Ａでは、例えば１５０〜１８０℃の排ガスが吸収液との熱交換によって例えば５０〜８０℃に冷却される。第１熱交換器Ａで冷却された排ガスは、流路１４ｄを流通して湿式集塵機５０に導入される。

湿式集塵機５０では、排ガスに含まれるダスト等が除去される。湿式集塵機５０でダスト等が除去された排ガスは、脱硫塔５２に導入される。脱硫塔５２は、排ガスに含まれる硫黄酸化物を除去する。脱硫塔５２には図示しない流路を通じてアルカリ水溶液が供給される。脱硫塔５２において排ガスとアルカリ水溶液とが気液接触してアルカリ水溶液に硫黄酸化物が吸収される。アルカリ水溶液の例としては、炭酸カルシウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化マグネシウム水溶液及びアンモニア水などが挙げられる。

排ガスは、湿式集塵機５０及び脱硫塔５２において、不純物が除去されるとともに例えば３０〜４０℃に冷却される。湿式集塵機５０及び脱硫塔５２を設けることは必須ではなく、排ガスの性状によってはこれらの一方又は双方を設けなくてもよい。これらの機器に代えて、又はこれらの機器に加えて、吸収塔２０に供給される排ガスを適切な温度に冷却するためのクーラーを備えていてもよい。

湿式集塵機５０及び脱硫塔５２を通過した排ガスは、流路１４ｅを流通して吸収塔２０に供給される。吸収塔２０及び再生塔３０では、化学吸収法によって二酸化炭素を回収する。吸収塔２０は、ボイラ部１０で生じた排ガスと二酸化炭素を吸収する吸収液とを接触させて、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる。

流路１４ｅは、吸収塔２０の下部に接続されている。一方、吸収塔２０の上部には、再生塔３０で二酸化炭素の含有量が十分に低減された吸収液を吸収塔２０内に供給する流路３６ｃが接続されている。吸収液は、流路３６ｃを流通して、吸収塔２０内に供給される。吸収液は、二酸化炭素を吸収する液体であり、例えばアミン水溶液である。アミン水溶液としては、例えば、ＭＥＡ（モノエタノールアミン）、ＥＡＥ（エチルアミノエタノール）、ＩＰＡＥ（イソプロパアミノエタノール）、及びＴＭＤＡＨ（テトラメチルジアミノヘキサン）等の水溶液が挙げられる。

吸収塔２０では、吸収液が降下するとともに原料ガスが上昇する。これによって、吸収液と原料ガスが向流接触して、原料ガスに含まれる二酸化炭素が吸収液に吸収される。吸収液による二酸化炭素の吸収量は温度に依存する。このため、吸収塔２０内の温度を制御することによって、吸収液による二酸化炭素の吸収量を調整することができる。

吸収塔２０は、上方から下方に向かって、充填層２０ａ、充填層２０ｂ及び充填層２０ｃをこの順で備える。これらの充填層２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、排ガスと吸収液との接触効率を高くするために設けられるものであり、例えば、ラシヒリング等の充填物が充填されている。充填層２０ａと充填層２０ｂの間、及び、充填層２０ｂと充填層２０ｃの間には、図示しないトレイが設置されていてもよい。吸収塔２０は、このような構成に限定されず、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収可能な構成であればよい。

吸収塔２０内において、吸収液は排ガスと気液接触しながら降下して、排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収する（吸収工程）。二酸化炭素が低減又は除去されたガス（オフガス）は、吸収塔２０の塔頂部に接続された流路２２によって、吸収塔２０から排出される。このガスは、流路２２を流通して洗浄塔５４に導入される。洗浄塔５４には、図示しない流路によって水が供給される。洗浄塔５４では、ガスと水とを接触させることによって、ガスに含まれる微量成分が除去される。洗浄塔５４で洗浄されたガスは、大気に放出されてもよいし、含有成分に応じて種々の用途に用いられてもよい。洗浄塔５４はなくてもよく、例えば、流路２２によって吸収塔２０から排出されたガスは、そのまま種々の用途に用いてもよい。

吸収塔２０内の温度は、例えば吸収液の種類に応じて設定することが可能であり、例えば３０〜４０℃である。吸収塔２０内の圧力は例えば０〜１．０ＭＰａである。

吸収塔２０で二酸化炭素を吸収した吸収液（リッチ液）は、吸収塔２０の塔底部に溜められ、当該塔底部に接続された流路２４ａによって、吸収塔２０から３０〜４０℃で排出される。吸収塔２０から排出される吸収液は、ポンプを経由して熱交換器５８に導入される。ここで、再生塔３０から流路３６ａによって排出される吸収液（リーン液）と熱交換して例えば８０〜９０℃に加熱される。熱交換器５８で加熱された吸収液は、流路２４ｂを流通して再生塔３０に導入される。流路２４ｂは、再生塔３０の上部に接続されている。

再生塔３０は、吸収塔２０で得られた、二酸化炭素を吸収した吸収液（リッチ液）から二酸化炭素を分離して、吸収液を再生する。再生塔３０は、上方から下方に向かって、充填層３０ａ、及び充填層３０ｂをこの順で備える。充填層３０ａ，３０ｂは、液体と気体との分離を効率よく行うために設けられるものである。充填層５１ａ，５１ｂは、例えば、ラシヒリング等の充填物が充填されている。再生塔３０は、このような構成に限定されず、吸収液から二酸化炭素を分離することが可能な構成であればよい。

再生塔３０に導入された吸収液は、再生塔３０内を流下して、再生塔３０の塔底部又は塔底部付近に設けられたトレイ上に滞留する。再生塔３０の外部には、再生塔３０の塔底部又は塔底部付近に滞留する吸収液を加熱する第３熱交換器Ｃ及び加熱部３１が設けられている。吸収液は、流路３４ａを流通して第３熱交換器Ｃに導入され、排ガスと熱交換して予熱された後、流路３４ｂを流通して加熱部３１に導入され、熱媒である水蒸気と熱交換して加熱される。吸収液は、第３熱交換器Ｃ及び加熱部３１によって、例えば８０〜１３０℃に加熱される。加熱部３１で加熱された吸収液は、流路３４ｃ又は流路３４ｄを流通して再生塔３０内に戻る。

加熱部３１は、例えば熱交換器であり、熱媒である水蒸気との熱交換を行うことによって吸収液を加熱する。水蒸気は、ボイラ部１０から流路１６及び流路１６ａを流通して加熱部３１に供給される。

吸収液から分離された二酸化炭素を含むガスは、再生塔３０内を上昇する。当該ガスは、処理ガスとして、再生塔３０の塔頂に接続された流路３２ａによって再生塔３０の外部に排出される。このようにして、原料ガスに含まれていた二酸化炭素が吸収液から分離され、吸収液が再生される（再生工程）。流路３２ａから排出される処理ガス中における二酸化炭素の濃度は、例えば９９体積％以上であり、好ましくは９９．９体積％以上である。

再生塔３０の塔底部には、二酸化炭素が低減された吸収液（リーン液）を再生塔３０から排出する流路３６ａが接続されている。吸収液（リーン液）は、流路３６ａを流通して熱交換器５８に導入され、吸収塔２０からの吸収液（リッチ液）との熱交換によって冷却される。その後、熱交換器５８で冷却された吸収液（リーン液）は、流路３６ｂを流通してクーラー３５に導入され、例えば３０〜４０℃に冷却される。その後、吸収液（リーン液）は、流路３６ｃを流通して、吸収塔２０の上部に供給される。このように、吸収液は吸収塔２０と再生塔３０との間を循環しながら使用される。

処理ガスは、例えば８５〜９５℃の温度で再生塔３０の塔頂部から排出され、流路３２ａを流通して第４熱交換器Ｄに導入される。処理ガスは、第４熱交換器Ｄにおいて、流路１２ａを流通して第４熱交換器Ｄに導入される水と熱交換して、例えば３０〜５０℃に冷却される。第４熱交換器Ｄでの冷却によって、処理ガスの一部は凝縮してもよい。ここで生じた凝縮液は、ポンプによって流路３２ｂを流通して、再生塔３０でリフラックスとして用いられる。

第４熱交換器Ｄで冷却された処理ガスの残部は流路３２ｃを流通して圧縮機６０に導入され、０．８〜１ＭＰａに昇圧されるとともに１００〜１５０℃に昇温される。圧縮機６０で昇圧及び昇温した処理ガスは、流路３２ｄを流通して、熱交換器６２に導入される。処理ガスは、熱交換器６２において、不純物除去塔４０で得られた二酸化炭素ガスと熱交換して例えば１３０〜１５０℃に冷却される。なお、熱交換器６２の上流側に、処理ガスに同伴される水分などの液体分を分離するフィルターを設けてもよい。

熱交換器６２で冷却された処理ガスは、流路３２ｅを流通して熱交換器６４に導入される。処理ガスは、熱交換器６４において、熱媒と熱交換して、不純物除去塔４０での処理に適した温度（例えば１５０〜１７０℃）に加熱される。熱交換器６４で用いる熱媒は、ボイラ部１０又は別のボイラで発生した水蒸気であってもよいし、熱媒油であってもよい。

熱交換器６４で加熱された処理ガスは、不純物除去塔４０に導入される。不純物除去塔４０では、処理ガスに含まれる不純物が除去される（不純物除去工程）。不純物の例としては、ＮＯ_ｘ等の酸化物及び酸素が挙げられる。不純物除去塔４０の例としては、還元触媒が収容された触媒塔、及び、活性炭等の吸着剤が収容された吸着塔等が挙げられる。

不純物除去塔４０が触媒塔の場合、処理ガスが、水素雰囲気下で還元触媒と接触することで、処理ガスに含まれる不純物が低減され、二酸化炭素の純度が向上する。触媒塔で用いられる還元触媒としては、公知の脱酸素触媒を使用できる。例えば、担体に貴金属を担持させた触媒が挙げられる。担体の例としては、酸化アルミニウム及び酸化マグネシウムが挙げられる。貴金属の例としては、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム及びこれらの合金が挙げられる。担体及び貴金属は、上述の一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせてもよい。

一方、不純物除去塔４０が吸着塔の場合、処理ガスが吸着剤と接触することで、処理ガスに含まれる不純物が低減され、二酸化炭素の純度が向上する。回収装置１００は、触媒塔及び吸着塔のどちらか一方を備えていてもよいし、両者を組み合わせて備えていてもよい。

不純物除去塔４０において、処理ガスから不純物が除去されて、二酸化炭素ガスが得られる。二酸化炭素ガスの純度は、例えば９９．９体積％以上である。なお、本明細書における「二酸化炭素ガス」は、処理ガスよりも二酸化炭素の純度が高ければよく、不純物を含んでいてもよい。本明細書における「体積％」は、標準状態（２５℃、１ｂａｒ）における体積比率である。

不純物除去塔４０に供給される二酸化炭素ガスの流量は、排ガスの流量の数分の一程度であることから、不純物除去塔４０を吸収塔２０よりも下流側に設けることによって、不純物除去塔４０の処理量を十分に小さくすることができる。

不純物除去塔４０で得られた二酸化炭素ガスは、流路４２ａを流通して、１５０〜１７０℃の温度で熱交換器６２に導入される。二酸化炭素ガスは、熱交換器６２で処理ガスと熱交換して例えば１３０〜１５０℃に冷却される。熱交換器６２で冷却された二酸化炭素ガスは、流路４２ｂを流通して、第２熱交換器Ｂに導入される。二酸化炭素ガスは、第２熱交換器Ｂにおいて空気と熱交換して例えば２０〜４０℃に冷却される。

第２熱交換器Ｂにおいて冷却された二酸化炭素ガスは、脱湿機７０に導入される。脱湿機７０には、ゼオライト等の吸着剤が収容されている。脱湿機７０では、二酸化炭素ガスが吸着剤に接触し、二酸化炭素ガスに含まれる水分等が低減される。二酸化炭素ガスは、脱湿機７０において水分等が低減された後、流路７２を流通して脱臭塔７５に導入される。脱臭塔７５には、活性炭が収容されている。脱臭塔７５では、二酸化炭素ガスが活性炭に接触し、二酸化炭素ガスに含まれる臭気成分が低減される。臭気成分としては、例えば、不純物除去塔４０で生じる硫化水素、及び炭化水素等が挙げられる。

脱臭塔７５で脱臭された二酸化炭素ガスは、流路７８を流通してタンク等に導入され、保管される。このようにして得られる二酸化炭素ガス（ＣＯ_２）は、不純物濃度が十分に低減されており、その純度は、例えば９９．９５体積％以上である。このような高純度の二酸化炭素ガスは、例えば飲料又は食料の用途にも好適に用いることができる。

回収装置１００は、ボイラ部１０に供給される水を第１熱交換器Ａにおいて排ガスで予熱し、ボイラ部１０に供給される空気を第２熱交換器Ｂにおいて二酸化炭素ガスで予熱している。すなわち、水は、二酸化炭素ガスよりも高温且つ大流量である排ガスとの熱交換によって予熱されている。このため、空気よりも比熱の大きい水を十分に高い温度にまで予熱することができる。

さらに、この水は、水の流通方向でみたときに、第１熱交換器Ａよりも上流側に設けられた第４熱交換器Ｄにおいて、従来は有効活用されていなかった再生塔３０からの処理ガスの熱によって予熱されている。このように、各流体の熱を効率よく活用することによって、ボイラ部１０に供給される水及び空気を十分高い温度にまで予熱している。したがって、ボイラ部１０で消費される燃料を低減することができる。また、各流体を冷却するための冷却水の消費も低減することができる。

回収装置１００は、さらに、再生塔３０の吸収液を第３熱交換器Ｃにおいて予熱している。これによって、加熱部３１における熱の消費を低減することができる。このため、精製部１５０における用役使用量を低減することができる。すなわち、回収装置１００は、ボイラ部１０及び精製部１５０の両方において、用役使用量を低減することができる。

第１熱交換器Ａ、第２熱交換器Ｂ、第３熱交換器Ｃ及び第４熱交換器Ｄの例としては、プレート式熱交換器、多管式熱交換器、及びチューブ型熱交換式等が挙げられる。それぞれの熱交換器は、これらのうちの一種を単独で用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよい。回収装置１００に備えられる別の熱交換器も、上述の種々の構造のものを適用することができる。

二酸化炭素ガスの製造方法の一実施形態は、上述のとおり、回収装置１００を用いて行うことができる。本実施形態の二酸化炭素ガスの製造方法は、ボイラ部１０において燃料を燃焼する燃焼工程と、燃焼工程で発生する排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液で吸収する吸収工程と、吸収工程からの吸収液を加熱部３１で加熱して吸収液を再生し、二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生工程と、処理ガスを触媒及び／又は吸着剤と接触させて、処理ガスに含まれる不純物を低減し、処理ガスよりも不純物の濃度が低減された二酸化炭素ガスを得る不純物除去工程とを有する。

上記燃焼工程においてボイラ部１０に供給される水を、再生工程で得られる処理ガスで予熱した後（第４熱交換器Ｄ）、当該水を排ガスでさらに予熱している（第１熱交換器Ａ）。また、ボイラ部１０に供給される空気を二酸化炭素ガスで予熱し（第２熱交換器Ｂ）、吸収工程における吸収液を加熱部３１で加熱する前にボイラ部１０からの排ガスで予熱している。

本実施形態の製造方法では、ボイラ部１０に供給される水を排ガスで予熱し、ボイラ部１０に供給される空気を二酸化炭素ガスで予熱する。ここで、水は、二酸化炭素ガスよりも高温且つ大流量である排ガスとの熱交換によって予熱されている。このため、空気よりも比熱の大きい水を十分に高い温度にまで予熱することができる。

さらに、この水は、従来は有効活用されていなかった再生塔３０からの処理ガスの熱によって予熱された後に、排ガスで予熱されている。このように、各流体の熱を効率よく活用することによって、ボイラ部１０に供給される水及び空気を十分高い温度にまで予熱している。したがって、燃焼工程におけるボイラ部１０による燃料の消費量を低減することができる。

さらに、再生塔３０の吸収液を排ガスで予熱している。これによって、加熱部３１における熱の消費を低減することができる。このため、再生工程における用役使用量を低減することができる。すなわち、本実施形態の製造方法では、燃焼工程及び再生工程における用役使用量を低減しつつ、不純物が十分に低減された二酸化炭素ガスを製造することができる。このようにして得られる二酸化炭素ガスは、不純物の濃度が十分に低減されており、その純度は、例えば９９．９５体積％以上である。このような高純度の二酸化炭素ガスは、例えば飲料又は食料の用途にも好適に用いることができる。

図２は、別の実施形態に係る二酸化炭素の回収装置１０２を模式的に示す図である。回収装置１０２は、回収装置１００における第４熱交換器Ｄの代わりに第５熱交換器Ｅを有する点で回収装置１００と異なっている。回収装置１０２のその他の構成は、回収装置１００と同一である。ここでは、回収装置１００と異なる部分のみを説明し、重複する説明を省略する。

第５熱交換器Ｅでは、再生塔３０からの処理ガスと水とを熱交換して、処理ガスを例えば３０〜５０℃に冷却する。処理ガスとの熱交換によって加熱された水は、外部に排出される。ここで用いられる水は、ボイラ部１０には供給されないことから、例えば工業用水又は海水を用いることができる。

第１熱交換器Ａには、予熱されていない１０〜２０℃程度の水が導入される。この水は、第１熱交換器Ａにおいて、排ガスと熱交換して、例えば３０〜７０℃に予熱される。回収装置１００に比べて、ボイラ部１０に供給される水の温度が低くなるが、これでも十分にボイラ部１０での燃料消費量を低減することができる。

二酸化炭素ガスの製造方法は、上述の回収装置１０２を用いて行ってもよい。この場合、回収装置１００を用いる場合に比べて、ボイラ部１０に供給される水が処理ガスで予熱されず、排ガスのみで予熱されることとなる。しかしながら、このような実施形態であっても、十分にボイラ部１０での燃料消費量を低減することができる。

以上、本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上述の実施形態は、第３熱交換器Ｃを備えているが、第３熱交換器Ｃはなくてもよい。この場合、ボイラ部１０からの排ガスを、ブロア１５によって第１熱交換器Ａに導入して、ボイラ部１０に供給される水を予熱してもよい。第１熱交換器Ａには、十分に高い温度を有する排ガスが導入されることから、水を十分に高い温度に予熱することができる。

実施例及び比較例を参照して本発明の内容をより詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

（実施例１、比較例１）
図２に示す二酸化炭素の回収装置１０２によって、どの程度の用役使用量が削減できるかを計算によって求めた。第１熱交換器Ａ、第２熱交換器Ｂ及び第３熱交換器Ｃを備えない二酸化炭素の回収装置（比較例１）を基準として、ボイラ部からの水蒸気生成量が一定の条件下、第１熱交換器Ａ、第２熱交換器Ｂ及び第３熱交換器Ｃを備えること（実施例１）によって削減できる用役使用量を計算した。比較例１では、ボイラ部からの排ガスの熱回収を行わず、排ガスをクーラーによって冷却した後に、吸収塔に導入した。すなわち、ボイラ部に供給される水の予熱を行わなかった。また、比較例１では、ボイラ部に供給される空気の予熱も行わなかった。実施例１及び比較例１において、以下の計算条件は、同一の前提で両者を比較した。

＜計算条件＞
二酸化炭素の回収装置に供給される空気及び水の温度：２０℃
ボイラ部１０での水蒸気生成量：１０ｔｏｎ／時間
排ガス中の二酸化炭素濃度：２７体積％
吸収塔２０への排ガスの供給温度：３５℃

計算の結果、第１熱交換器Ａ、第２熱交換器Ｂ及び第３熱交換器Ｃを備える実施例１では、比較例１に対して、燃料使用量を、１時間あたり３，７９３ＭＪ低減することができた。また、排ガス及び二酸化炭素ガスの冷却に要する冷却水も低減することができた。比較例１では、ボイラ部に供給される水及び空気の温度が２０℃であったのに対し、実施例１では、ボイラ部１０に供給される水及び空気の温度が、それぞれ６４℃及び８０℃に予熱されていた。これによって、燃料使用量を低減することができた。また、排ガス及び二酸化炭素ガスの冷却に要する冷却水も低減することができた。

（比較例２）
図３に示す二酸化炭素の回収装置２００が、比較例１に対して、どの程度の用役使用量が削減できるかを計算によって求めた。回収装置２００の構成は以下のとおりである。回収装置２００は、燃料を空気で燃焼するボイラ部２１０と、ボイラ部２１０の排ガスを精製する精製部２５０とを備える。精製部２５０は、排ガスから二酸化炭素とは異なる成分である不純物を低減して二酸化炭素の純度を高くする部分である。精製部２５０は、吸収塔２０、再生塔３０、不純物除去塔４０、及びこれらの機器を互いに接続する流路を有する。燃料は、流路１１を流通してボイラ部２１０に供給される。

水は、流路２１２ａを流通して熱交換器Ｇに導入され予熱される。熱交換器Ｇでは、２０℃の水が、不純物除去塔４０からの二酸化炭素ガスとの熱交換によって予熱される。熱交換器Ｇで予熱された水は、流路２１２ｂを流通してボイラ部２１０に供給される。一方、空気は、流路２１８ａを流通して熱交換器Ｆに導入され予熱される。熱交換器Ｆでは、２０℃の空気が、ボイラ部２１０からの排ガスとの熱交換によって予熱される。熱交換器Ｆで予熱された空気は、流路２１８ｂを流通してボイラ部２１０に供給される。

ボイラ部２１０は、実施例１のボイラ部１０と同じ構成を有しており、燃料の燃焼熱によってボイラ部１０と同量の水蒸気を生成する。ボイラ部２１０で燃料を燃焼して生じる排ガスは、流路２１４ａを流通して第３熱交換器Ｃに導入され冷却される。第３熱交換器Ｃで冷却された排ガスは、流路２１４ｂを流通してブロア２１５に導入される。ブロア２１５で昇圧された排ガスは、流路２１４ｃを流通して熱交換器Ｆに導入され冷却される。第１熱交換器Ａで冷却された排ガスは、流路２１４ｄを流通して湿式集塵機５０に導入される。

湿式集塵機５０から不純物除去塔４０までは回収装置１０２と同じ設備で排ガスが精製され二酸化炭素ガスが製造される。不純物除去塔４０で得られた二酸化炭素ガスは、流路４２ａを流通して、実施例１と同じ温度で熱交換器６２に導入され、処理ガスと熱交換して実施例１と同じ温度に冷却される。熱交換器６２で冷却された二酸化炭素ガスは、流路４２ｂを流通して、熱交換器Ｇに導入される。二酸化炭素ガスは、熱交換器Ｇにおいて水と熱交換する。

上述のとおり、回収装置２００は、第１熱交換器Ａ及び第２熱交換器Ｂに代えて熱交換器Ｇ及び熱交換器Ｆを備える点で、回収装置１０２と異なっている。その他の構成は、回収装置１０２と同じである。

上述の比較例１に対して、熱交換器Ｆ、熱交換器Ｇ及び第３熱交換器Ｃを備える比較例２が削減することができる用役使用量を計算した。上述の計算条件と同一の前提で両者を比較した。計算の結果、熱交換器Ｆ、熱交換器Ｇ及び第３熱交換器Ｃを備える比較例２では、比較例１に対して、燃料使用量が、１時間あたり３，４３７ＭＪ低減された。比較例２では、ボイラ部２１０に供給される水及び空気が、熱交換器Ｇ及び熱交換器Ｆでそれぞれ予熱されたことから、比較例１よりも燃料使用量を低減することができた。しかしながら、ボイラ部２１０に供給される水の温度は３０℃であり、実施例１よりも大幅に低かった。

実施例１と比較例２との比較から、回収装置１０２は、第１熱交換器Ａ、第２熱交換器Ｂ及び第３熱交換器Ｃを備えることによって、燃料使用量を大幅に低減できることが確認された（△３５６ＭＪ／時間）。すなわち、実施例１の回収装置１０２では、第１熱交換器Ａにおいて、水を二酸化炭素ガスよりも高温且つ大流量である排ガスとの熱交換によって予熱している。このため、空気よりも比熱の大きい水を十分に高い温度にまで予熱することができる。

さらに、ボイラ部１０で燃焼される空気も、不純物除去塔での反応又は吸着のために加熱された処理ガスから得られた二酸化炭素ガスの熱を有効活用して予熱されている。このように、実施例１では、各流体の熱を効率よく活用することによって、ボイラ部１０に供給される水及び空気を十分高い温度にまで予熱している。したがって、ボイラ部１０で消費される燃料を低減することができる。

十分に少ない用役使用量で、排ガスから不純物が低減された二酸化炭素ガスを回収することが可能な二酸化炭素ガスの回収装置が提供される。十分に少ない用役使用量で、不純物が低減された二酸化炭素ガスを製造する方法が提供される。

１０，２１０…ボイラ部、１５…ブロア、１１，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１６，１６ａ，１８ａ，１８ｂ，２２，２４ａ，２４ｂ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，４２ａ，４２ｂ，７２，７８…流路、２０…吸収塔，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…充填層、３０…再生塔、３０ａ，３０ｂ…充填層、３１…加熱部、４０…不純物除去塔、５０…湿式集塵機、５２…脱硫塔、５４…洗浄塔、６０…圧縮機、６２，６４…熱交換器、７０…脱湿機、７５…脱臭塔、１００，１０２，２００…回収装置、１５０，２５０…精製部、Ａ…第１熱交換器、Ｂ…第２熱交換器、Ｃ…第３熱交換器、Ｄ…第４熱交換器、Ｅ…第５熱交換器、２１２ａ，２１２ｂ，２１４ａ，２１４ｂ，２１４ｃ，２１４ｄ，２１８ａ，２１８ｂ…流路、２１５…ブロア、Ｆ，Ｇ…熱交換器。

Claims (6)

1. 燃料を燃焼して水蒸気を生成するボイラ部と、前記ボイラ部の排ガスを精製する精製部と、を備える、二酸化炭素の回収装置であって、
   前記精製部は、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液に吸収させる吸収塔と、前記吸収液を加熱部で加熱して前記吸収液を再生し前記二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生塔と、前記処理ガスに含まれる不純物を低減し、前記処理ガスよりも前記不純物の濃度が低減された二酸化炭素ガスを得る不純物除去塔と、を備え、
   前記ボイラ部に供給される水を前記排ガスで予熱する第１熱交換器と、
   前記ボイラ部に供給される燃焼用の空気を前記二酸化炭素ガスで予熱する第２熱交換器と、を備える二酸化炭素ガスの回収装置。
2. 前記再生塔において、前記吸収液を前記加熱部で加熱する前に前記排ガスで予熱する第３熱交換器を備えており、
   前記排ガスの流通方向でみたときに、前記第３熱交換器は前記第１熱交換器よりも上流側に設けられる、請求項１に記載の二酸化炭素ガスの回収装置。
3. 前記ボイラ部に供給される前記水を、前記再生塔からの前記処理ガスで予熱する第４熱交換器を備えており、
   前記水の流通方向でみたときに、前記第４熱交換器は前記第１熱交換器よりも上流側に設けられる、請求項１又は２に記載の二酸化炭素ガスの回収装置。
4. ボイラ部において燃料を燃焼して水蒸気を生成する燃焼工程と、
   前記燃焼工程で発生する排ガスに含まれる二酸化炭素を吸収液で吸収する吸収工程と、
   前記吸収工程からの前記吸収液を加熱部で加熱して前記吸収液を再生し、前記二酸化炭素を含む処理ガスを得る再生工程と、
   前記処理ガスに含まれる不純物を低減し、前記処理ガスよりも前記不純物の濃度が低減された二酸化炭素ガスを得る不純物除去工程と、を有し、
   前記燃焼工程において前記ボイラ部に供給される水を前記排ガスで予熱し、前記ボイラ部に供給される燃焼用の空気を前記二酸化炭素ガスで予熱する、二酸化炭素ガスの製造方法。
5. 前記吸収工程における前記吸収液を加熱部で加熱する前に前記排ガスで予熱する、請求項４に記載の二酸化炭素ガスの製造方法。
6. 前記燃焼工程において前記ボイラ部に供給される水を、前記排ガスで予熱する前に前記再生工程で得られる前記処理ガスで予熱する、請求項４又は５に記載の二酸化炭素ガスの製造方法。
   

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